Đặt vấn đề Trên thế giới mỗi năm có khoảng 1,4 triệu ngƣời mới mắc bệnh ung thƣ vú và 458.000 ngƣời tử vong [1]. Ở Việt Nam, mỗi năm có khoảng 7.000 ngƣời mới mắc bệnh, trong đó tỷ lệ tử vong khoảng 35%, cao hơn các nƣớc phát triển, bệnh có xu hƣớng trẻ hóa và tăng dần qua các năm. Vì vậy, các công trình nghiên cứu về các thiết bị nhằm phát hiện sớm căn bệnh ung thƣ vú là rất cần thiết và mang tính thời sự ở Việt Nam cũng nhƣ trên thế giới. Ung thƣ vú nếu đƣợc phát hiện và điều trị sớm thì tỷ lệ chữa khỏi bệnh đạt tới 90% và chất lƣợng sống của bệnh nhân đƣợc tăng lên rõ rệt.
Do đó, kỹ thuật tạo ảnh của khối u lạ khi còn nhỏ (tức là đƣờng kính của khối u nhỏ hơn 5mm) là rất cần thiết. Kỹ thuật chụp X–quang tuyến vú (mammography) đƣợc sử dụng rộng rãi để tìm kiếm ung thƣ vú ở phụ nữ hậu mãn kinh. Tuy nhiên, đối với những phụ nữ dƣới 50 tuổi thì kỹ thuật X–quang tuyến vú bị hạn chế bởi vì các mô vú ở phụ nữ là dày đặc [67]. Các mô dày đặc không cung cấp đƣợc sự thay đổi tốc độ truyền âm cần thiết để tạo đƣợc ảnh của khối u nhỏ.
Trong khi đó, kỹ thuật siêu âm cắt lớp (ultrasound tomography) lại thực hiện đƣợc điều này. Nó là một kỹ thuật thay thế cho kỹ thuật X-quang tuyến vú trong chẩn đoán ung thƣ vú. Vì vậy, các công trình nghiên cứu để nâng cao chất lƣợng tạo ảnh siêu âm cắt lớp sẽ tạo điều kiện thuận lợi để áp dụng vào thực tiễn y sinh. Kỹ thuật siêu âm cắt lớp là một lĩnh vực rất mới trên thế giới, nó có rất nhiều tiềm năng phát triển, bởi vì nó có khả năng phát hiện đƣợc các u lạ có kích thƣớc nhỏ, dựa trên kỹ thuật tán xạ ngƣợc [59].
Các công trình nghiên cứu hiện nay về lĩnh vực này thƣờng tập trung nghiên cứu về Phƣơng pháp lặp Born (BIM) và Phƣơng pháp lặp vi phân Born cải tiến (DBIM) [5]. Vì 4 vậy, nghiên cứu sinh tiếp tục nghiên cứu và phát triển mô hình tạo ảnh siêu âm cắt lớp sử dụng các kỹ thuật tiên tiến nhƣ kỹ thuật kết hợp tần số, kỹ thuật lấy mẫu nén. Nghiên cứu sinh đã ban đầu đƣa ra hƣớng nghiên cứu sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên trong kỹ thuật lấy mẫu nén, là bƣớc tiến quan trọng trong việc đƣa kỹ thuật lấy mẫu nén thực thi đƣợc trên phần cứng của máy chụp ảnh siêu âm cắt lớp. Những nội dung nghiên cứu nếu thành công sẽ cho phép hoàn thiện cả lý thuyết lẫn thực tế trong ứng dụng chụp ảnh siêu âm cắt lớp.
Kỹ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp có ƣu điểm an toàn, không xâm lấn, rẻ tiền, có tính chất thời gian thực và nó rất phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam. Tuy nhiên, ngoài những ƣu điểm trên, thì kỹ thuật này vẫn còn một số hạn chế nhƣ ảnh siêu âm có độ phân giải thấp; tốc độ tạo ảnh còn chậm; độ chính xác chƣa cao; còn ảnh hƣởng bởi nhiễu; độ phức tạp tính toán còn lớn, … Các kết quả nghiên cứu của luận án đã cải tiến đáng kể những hạn chế hiện tại. Cụ thể: + Độ phân giải thấp, ảnh hƣởng bởi nhiễu đƣợc cải tiến bằng cách sử dụng kỹ thuật kết hợp tần số đề xuất. + Độ chính xác chƣa cao và độ phức tạp tính toán lớn đƣợc cải tiến bằng cách sử dụng kỹ thuật lấy mẫu nén đề xuất.
Có thể thấy rằng, những kỹ thuật xử lí tín hiệu tiên tiến này, nếu đƣợc áp dụng trong việc khôi phục ảnh siêu âm thực tế thì sẽ cải thiện đáng kể chất lƣợng siêu âm cắt lớp hiện tại, tạo điều kiện ứng dụng rộng rãi trong y khoa. Tổng quan về kỹ thuật tạo ảnh siêu âm cắt lớp Công nghệ tạo ảnh y sinh đã và đang làm thay đổi mạnh mẽ trong lĩnh vực chẩn đoán lâm sàng. Sự phát triển bùng nổ của phƣơng tiện truyền thông số và công nghệ thông tin đem lại các phƣơng pháp rất thông minh và tinh vi 5 trong quá trình chẩn đoán và điều trị [100]. Vào năm 1885, Wilhelm Roentgen phát hiện ra tia X-ray, kể từ đó, công nghệ tạo ảnh y sinh ra đời.
Hơn một trăm năm qua, sự phát triển của công nghệ tiên tiến, bắt nguồn từ X- ray đến MRI, CT, PET, SPECT, siêu âm … đã tạo ra những thay đổi lớn trong lĩnh vực y học lâm sàng. Hiệu quả của các công cụ tạo ảnh không xâm lấn phát triển nhanh chóng cùng với những tiến bộ trong khoa học máy tính. Phƣơng pháp tạo ảnh y-sinh là phƣơng pháp tạo ảnh các bộ phận của ngƣời hay động vật, … để thu thập dữ liệu về các mô, cấu trúc hay đặc điểm về các mô, xƣơng hoặc thậm chí là cả đặc điểm sinh lí học bằng cách tiêm các chất đặc biệt vào trong cơ thể ngƣời [66]. Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp tạo ảnh y sinh nhƣ đã đề cập ở trên, định hƣớng nghiên cứu của đề tài là tạo ảnh siêu âm vì nó là một trong những phƣơng pháp tạo ảnh y-sinh phổ biến nhất và đại diện cho chuẩn vàng trong việc kiểm tra chẩn đoán quan trọng chẳng hạn nhƣ sản phụ khoa và tim học.
Kỹ thuật tạo ảnh sử dụng sóng âm, đã đƣợc ứng dụng rộng rãi, từ khi có sự phát triển của kỹ thuật sonar vào năm 1910. Một trong những kỹ thuật đƣợc sử dụng phổ biến nhất, dựa trên nguyên lí sonar là kỹ thuật tạo ảnh B- mode [14]. Kỹ thuật này đƣợc ứng dụng để chẩn đoán không phá hủy và tạo ảnh y học.1 minh họa một ảnh chụp kiểu B-mode phát hiện ra một u lành khi siêu âm ngực. Ảnh B-mode biểu diễn định tính sự thay đổi hàm trở kháng âm, từ đó chúng ta có thể phân biệt đƣợc các môi trƣờng khác nhau.
Độ phân giải không gian của ảnh có thể thu đƣợc bằng việc sử dụng đầu dò dạng mảng [10] và các đầu dò một phần tử có độ hội tụ cao [32]. Mặc dù chất lƣợng ảnh có thể bị xấu đi do sự sai lệch về biên độ và pha [72], nhƣng quá trình tạo ảnh B-mode đơn giản và đáng tin cậy. Tuy nhiên, do bản chất định tính của ảnh B-mode, nên việc chẩn đoán y khoa sử dụng ảnh này thƣờng mang tính chủ quan và phụ thuộc vào chuyên môn của chuyên gia chẩn đoán. Ảnh chụp u lành khi siêu âm ngực [38] Cách tiếp cận ban đầu để thu thập thông tin định lƣợng là từ ảnh B- mode.
Trong nhiều năm qua, sự phân tích kết cấu ảnh đã đƣợc khai thác bằng cách sử dụng một số kỹ thuật, nhƣ các tham số bậc 1 và 2 (trị trung bình, độ lệch chuẩn, entropy, tham số loạt dài (run-length parameters)) [28], [85], [99], tham số đại diện thống kê đƣờng bao [71], [98], và phân tích sóng con [11], [37]. Tuy nhiên, các tham số định lƣợng này không độc lập với hệ thống tạo ảnh, do đó các giải pháp này có những thành công nhất định và chúng không còn đƣợc sử dụng trên các thiết bị y sinh hiện nay. Kỹ thuật siêu âm định lƣợng (ở đây chính là siêu âm cắt lớp) đƣợc biết đến là sẽ cho nhiều thông tin hữu ích/định lƣợng hơn so với ảnh B-mode [54]. Có hai hƣớng nghiên cứu chủ yếu về kỹ thuật này: Kỹ thuật siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết chiếu tia và Kỹ thuật siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết tán xạ.
Siêu âm cắt lớp dựa trên lý thuyết chiếu tia: Các hệ thống tạo ảnh thực nghiệm mà ở đó sử dụng lý thuyết chiếu tia để xây dựng các lát cắt về tốc độ âm và độ suy hao âm từ các mô đã đƣợc xây dựng đƣợc vài thập kỉ. Một số hệ thống đã đƣợc xây dựng vào cuối những năm 1970 và đầu năm 1980 để thu thập các lát cắt về âm học chẩn đoán ở vú 7 phụ nữ [30], [41], [42], [70]. Một ví dụ của hệ thống tạo ảnh hiện có là CURE, đƣợc phát triển bởi Viện Ung thƣ Karmanos [61]. Cả hai kỹ thuật siêu âm cắt lớp sử dụng giải pháp chiếu tia thẳng [60] và hiệu chỉnh khúc xạ [16] đã đƣợc thực hiện trong hệ thống này.
Hệ thống CURE biểu thị ảnh về tốc độ âm, độ suy hao và độ phản xạ. Một ví dụ khác là hệ thống HUTT, đƣợc phát triển bởi các nhà nghiên cứu của Trƣờng Đại học Nam California [44], [45], [46]. Hệ thống này sử dụng kỹ thuật cắt lớp dựa vào giải pháp chiếu tia để khôi phục ảnh nhằm biểu thị hệ số suy hao ở các tần số khác nhau. Các phƣơng pháp tổng hợp ảnh đƣợc sử dụng để kết hợp các lát cắt khác nhau để tạo ảnh 3D nhằm nâng cao khả năng chẩn đoán.
Trong môi trƣờng phòng thí nghiệm, các hệ thống siêu âm cắt lớp 3D đƣợc phát triển bởi Viện Công nghệ Karlsruhe đã sử dụng các đầu dò đƣợc sắp xếp trong khẩu độ hình trụ 2D. Sử dụng lý thuyết chiếu tia, các lát cắt về tốc độ âm và độ phản xạ đã đƣợc xây dựng [35], [76]. Kỹ thuật chụp cắt lớp dựa vào lý thuyết chiếu tia cũng đƣợc đề xuất để khôi phục ảnh về các thông số khác ngoài các thông số về tốc độ âm, độ suy hao âm và độ phản xạ. Ví dụ, Zhang cùng cộng sự đã đề xuất để khôi phục lát cắt về tham số âm học phi tuyến từ các phép đo biên độ hài bậc 2 [22] và tƣơng tác sóng phi tuyến ở hai tần số khác nhau [21].
Mặc dù việc thực thi thực nghiệm thành công của kỹ thuật siêu âm cắt lớp dựa vào lý thuyết chiếu tia, nhƣng kỹ thuật này thƣờng xuyên gặp phải sự hoài nghi một phần do mô hình vật lý đơn giản đƣợc sử dụng để khôi phục ảnh siêu âm. Mặc dù sự khúc xạ là một cơ chế chi phối khi tạo ảnh các đối tƣợng lớn so với bƣớc sóng, nhƣng ảnh hƣởng của sự tán xạ cần đƣợc xem xét khi kích thƣớc của cấu trúc tán xạ tƣơng đƣơng với bƣớc sóng. Các nghiên cứu mô phỏng cho thấy rằng, ngay cả sau khi điều chỉnh sự khúc xạ, kỹ thuật chụp cắt lớp dựa vào lý thuyết chiếu tia chỉ có thể khôi phục chính xác định 8 lƣợng các cấu trúc có kích thƣớc lớn hơn vài bƣớc sóng (tức là từ 2-5 bƣớc sóng) [102]. Hạn chế này cũng đƣợc quan sát bằng dữ liệu thực nghiệm [79].